AT14193U1 - Verbundfolie für ein Photovoltaikmodul - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundfolie, welche aus mindestens zwei Schichten A und B oder drei Schichten A, B und C aufgebaut ist, wobei die Schicht A an der Schicht B, und die Schicht B an der optionalen Schicht C haftet, und - die Schicht A entweder ein niedrigschmelzendes Polyethylen oder ein niedrigschmelzendes Metallocen-Polyethylen ist, das mit Silan gepfropft ist und im Bereich zwischen 70 und 85°C schmilzt, oder ein Polyethylen oder ein Metallocen-Polyethylen ist, das mit Silan gepfropft ist, das weiters mit VLDPE oder Metallocen-VLDPE gemischt ist und im gemischten Zustand im Bereich von 85 bis 100°C schmilzt, - die Schicht B ein höherschmelzendes Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen mit einem Schmelzpunkt im Bereich zwischen 100 und 115°C ist, und - optional die Schicht C entweder eine Schicht wie die Schicht A ist, oder ein Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen ist, welches mit Maleinsäureanhydrid gepfropft ist.

Description

Beschreibung

VERBUNDFOLIE FÜR EIN PHOTOVOLTAIKMODUL

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundfolie, die z.B. bei der Herstellung einesPhotovoltaikmoduls zur Einbettung der Solarzellen eingesetzt werden kann.

[0002] Der Aufbau eines derartigen Photovoltaikmoduls ist in der WO 2008/138021 beispielhaftbeschrieben.

[0003] Im Stand der Technik sind unterschiedliche Konzepte bekannt, um das Frontglas mit denSolarzellen zu verbinden, die Zellen einzubetten (=Encapsulant-Material) und um gleichzeitigeine gute Haftung zum Frontglas zu erreichen. Üblicherweise wird dafür als Encapsulant- Mate¬rial ein Monolayermaterial verwendet. Das gängigste Material dafür ist EVA (Ethylenvinylacetat),das beim Laminationsprozess zum Vernetzen gebracht wird. Es existieren jedoch weitere viel¬fältige Ansätze.

[0004] Aus der WO 2013/003543 A1 sind z.B. mehrlagige, auf Polyolefinen basierende Folienbekannt. Diese werden als Lösung für die rückseitige Einkapselung (inkl. Rückseitenfolie) vonSolarzellen beschrieben. Eine Lösung für das frontseitige Einbettungsmaterial ist nur allgemeinbeschrieben, wird aber nicht näher ausgeführt.

[0005] Materialien auf Polyolefinbasis zur Einbettung von elektronischen Elementen werden imPatent WO 2008/036708 A2 beschrieben. Verwendet wird ein Polyolefin-Copolymer, welchesunter anderem einen Schmelzpunkt unter 95°C aufweisen soll. Mit diesem Material kann vo¬raussichtlich eine gute Anbindung zu elektronischen Elementen erreicht werden. Das Vermei¬den von Kriechen bei typischen Betriebstemperaturen oder eine gute Glashaftung wird durchVernetzen erreicht. Vergleichbare Materialien sind in weiteren Patentschriften beschrieben,siehe z.B. WO 2012/039914 A1 oder WO 2011/163025 A1, verfolgen jedoch bezüglich derErreichung von relevanten Eigenschaften ebenfalls das Konzept der Vernetzung der Polyole¬fine.

[0006] WO 2011/028394 A2 beschreibt ein Einbettungsmaterial, welches ebenfalls für diefrontseitige Einbettung verwendet werden kann. Auch hier wird allgemein ein polyolefinischesMaterial genannt, um die Anforderung an ein Fronteinbettungsmaterial zu erfüllen. Die Kombi¬nation verschiedener Polyolefine in unterschiedlichen Schichten, um gute Anhaftung zu errei¬chen und Kriechen zu vermeiden, wird nicht erwähnt.

[0007] Einbettungsmaterialien können auch auf weiteren unterschiedlichen Polymerkonzeptenberuhen, wie zum Beispiel in WO 2008/118137 A2, diese basieren jedoch nicht auf Polyole¬finen. Der Nachteil dieser Lösungen liegt primär in der höheren Komplexität des Fertigungspro¬zesses.

[0008] Es hat sich gezeigt, dass das einkapselnde Material im Laminationsprozess aufge¬schmolzen werden muss, um eine Haftung zum Frontglas zu erreichen. Für eine gute Haftungsind dabei niedrige Schmelzpunkte (70-100^, bevorzugt 91-97^0) notwendig. Die Betriebs¬temperatur von Photovoltaikmodulen kann jedoch in diesem Temperaturbereich liegen,wodurch es zu unerwünschten Phänomenen, wie z.B. Kriechen, kommen kann.

[0009] Kriechen bezeichnet dabei die zeit- und temperaturabhängige plastische Verformungunter Last bei Werkstoffen. Polymere, und damit auch Thermoplaste, verhalten sich hierbeiviskoelastisch. Daraus resultiert bei Kriechversuchen eine deutliche Spannungsrelaxation.

[0010] Bei Photovoltaikmodulen kann das Kriechen einer thermoplastischen Schicht durchGewichtskräfte benachbarter Schichten hervorgerufen werden, sofern keine diesbezüglichenMaßnahmen getroffen werden. Speziell bei höheren Temperaturen im Photovoltaikmodul müs¬sen Werkstoffe mit entsprechend hohen Schmelzpunkten und Elastizitätsmodul gewählt, bzw.diese dahingehend modifiziert werden.

[0011] Eine Alternative wäre die Verwendung höher schmelzender Polymere. Durch die Be- grenzung der Laminationstemperatur nach oben hin (typischerweise mit 155 bis 165^) werdensolche Polymere jedoch nur ungenügend aufgeschmolzen und damit die Haftungswerte redu¬ziert.

[0012] Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Folie, welche die oben genanntenNachteile nicht aufweist und eine gute Haftung zwischen Solarzellen und Frontglas ermöglicht.

[0013] Diese Aufgabe wird durch Schaffung einer Verbundfolie gelöst, welche aus mindestenszwei Schichten A und B oder drei Schichten A, B und C aufgebaut ist, wobei die Schicht A ander Schicht B, und die Schicht B an der optionalen Schicht C haftet, und [0014] - die Schicht A entweder [0015] ein niedrigschmelzendes Polyethylen oder ein niedrigschmelzendes Metal-locen-Polyethylen ist, das mit Silan gepfropft ist und im Bereich zwischen 70und 85 °C schmilzt, oder [0016] ein Polyethylen oder ein Metallocen-Polyethylen ist, das mit Silan gepfropftist, das weiters mit VLDPE oder Metallocen-VLDPE gemischt ist und im ge¬mischten Zustand im Bereich von 85 bis 100°C schmilzt, [0017] - die Schicht B ein höherschmelzendes Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen mit einem Schmelzpunkt im Bereich zwischen 100 und 115°C ist, und [0018] - optional die Schicht C entweder [0019] eine Schicht wie die Schicht A ist, oder [0020] ein Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen ist, welches mit Maleinsäurean¬hydrid gepfropft ist.

[0021] Die Schicht B ist bevorzugt ein höherschmelzendes Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen mit einem Schmelzpunkt im Bereich zwischen 105 und 115°C ist.

[0022] Die Schicht A kann einen Silan-Gehalt im Bereich zwischen 0,01 und 10,0 Masse.-%,bezogen auf die Masse des Polyethylens oder Metallocen-Polyethylens in der betreffendenSchicht aufweisen.

[0023] Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbundfolie ist dadurchgekennzeichnet, dass die Schicht C, sofern sie ein Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen ist,welches mit Maleinsäureanhydrid gepfropft ist, einen Maleinsäureanhydrid - Gehalt im Bereichzwischen 0,001% und 5%, bezogen auf die Masse des Polyethylens bzw. Metallocen- Polyethy¬lens in der betreffenden Schicht, aufweist.

[0024] Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbundfolie bei derHerstellung eines Photovoltaikmoduls.

[0025] Ferner betrifft die Erfindung ein Photovoltaikmodul, das dadurch gekennzeichnet ist,dass es eine Verbundfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.

[0026] Zusätzlich betrifft die Erfindung auch ein Photovoltaikmodul, das dadurch gekennzeich¬net ist, dass bei Verwendung der Verbundfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 4 die Wasser¬dampfdurchlässigkeit, im Vergleich zu einer alleinigen Verwendung der Schicht A oder C ingleicher Dicke, um mindestens 20% reduziert wird.

[0027] Nachfolgend wird die Herstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ver¬bundfolie noch näher beschrieben.

[0028] Die gegenständliche Erfindung unterscheidet sich von den bisher bekannten Encapsu-lant-Materialien für die Frontseite durch den mehrlagigen Aufbau der Folie. Es wird keine Mo-nolayerschicht verwendet, um das Modul kraftschlüssig zu verbinden, sondern ein 2- bzw. 3-lagiges Coextrudat, wie in der beigefügten Figur dargestellt ist. In der Figur bezeichnet dieBezugsziffern 1 und 3 eine Lage aus niedrigschmelzendem Polymer und die Bezugsziffer 2eine Lage aus hochschmelzendem Polymer.

[0029] Die Schmelzpunkte der Komponenten, die für die Außenschicht und die Innenschichtdes coextrudierten Frontencapsulants verwendet werden, sind dabei unterschiedlich. Die Mate¬rialmischung der Außenschicht hat einen Schmelzpunkt von 70°C bis < 100°C, bevorzugt von91-97°C. Die Innenschicht hat einen Schmelzpunkt von >100°C, bevorzugt von 110- 115°C.Durch den hohen Schmelzpunkt der Innenschicht besteht keine Gefahr, dass das Frontencap-sulant bei einer maximalen Dauergebrauchstemperatur von 105Ό vollständig aufschmilzt,wodurch ein Kriechen des Materials verhindert wird. Alternativ kann der Verbund auch nur 2-lagig sein, wobei dann eine der niedrigschmelzenden Schichten wegfällt. Die Dicke der Außen¬schicht und ihr Schmelzpunkt beeinflussen die Haftung zu Glas nach dem Laminieren: Beispiel¬haft sei hier ein Haftungswert von 33N/cm für eine Schichtdicke der Außenschicht von 90pmangeführt, hingegen ein Haftungswert von 100N/cm für eine Schichtdicke der Außenschicht von110pm.

[0030] Der endgültige Haftungswert ist abhängig vom tatsächlichen Aufbau des Gesamtmoduls(Dicke Frontencapsulant, Dicke Backencapsulant, Dicke Backsheet) sowie des Laminationspro¬zesses und der Struktur sowie einer eventuellen Beschichtung der PV- Glasoberfläche.

[0031] Bei Verwendung von Materialien mit den angegebenen Eigenschaften lassen sich beieinem Laminationszyklus mit Temperaturen von > 150Ό und < 165°C und einer Laminations¬dauer von 5-30min Glashaftungen von 100N/cm erzielen. Bevorzugt sind Zyklen von > 155 bis <165Ό und einer Dauer von <10 Minuten.

[0032] Der angeführte niedrigere Schmelzpunkt der Außenschicht ist erforderlich, um die ange¬führten Haftungswerte zu erzielen. Würde nur die Innenschicht, welche das Kriechen verhindert,als Front-Encapsulant verwendet, dann würden aufgrund des unterschiedlichen Aufschmelz¬verhaltens nur Haftungswerte von 5-10N/cm erzielt werden.

[0033] Durch den 3-lagigen Aufbau mit gleichen Außenschichten wird erreicht, dass das Mate¬rial beidseitig zum Glas laminiert werden kann. Bei einem nur 2-lagigen Aufbau ist auf die Sei-tigkeit des Materials vor Verwendung zu achten.

[0034] Die im Coextrudat eingesetzten Komponenten sind auf PE-Basis (Polyethylen), genauerauf VLDPE- (very low density Polyethylen) und LLDPE-Basis (linear low density Polyethylen).Der Herstellungsprozess beider PE-Typen kann dabei über Ziegler-Natta Katalysatoren bzw.Metallocen-katalysiert erfolgen. Bei der Metallocen-katalysierten Herstellung von Polyethylenhandelt es sich um ein homogen katalysiertes Verfahren mit einem Katalysatorsystem beste¬hend aus Metallocen in Kombination mit einem Co-Katalysator (starke Lewis-Säure oder Me-thylaluminoxan). Bei dem Metallocen handelt es sich um eine metallorganische Verbindung beidem ein zentrales Metallatom der vierten Gruppe (Ti, Zr, Hf, etc.) wie in einem Sandwich zwi¬schen zwei Cyclopentadienyl-Liganden angeordnet ist. Diese Polymerisationsart erlaubt dieHerstellung von Polyethylen mit einer engen Verteilung der molaren Masse und hat zusätzlichden Vorteil, dass die Reaktion bei geringem Druck und niedriger Temperatur durchgeführtwerden kann. Durch die Verwendung solcher PE-Typen, die mit Metallocen-Katalysatoren oderZiegler-Natta-Katalysatoren synthetisiert worden sind, kann eine sehr gute Transparenz erreichtwerden. Um eine Glashaftung zu erzielen ist es erforderlich, dass dabei das VLDPE mit Silangepfropft ist. Die Konzentration des Silans in der betreffenden Schicht beträgt dabei zwischen0,01 und 10%, bevorzugt zwischen 0,1 und 1%. Silane werden typischerweise durch eine Mül¬ler- Rochow-Synthese hergestellt. Dabei wird fein gemahlenes Silicium mit Methylchlorid(CH3CI) und Kupfer als Katalysator umgesetzt. Dadurch bildet sich eine Mischung aus Chlorme¬thylsilanen (Methyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan, Trimethylchlorsilan, Dimethyltetrachlordi-silan, etc.). Diese Chlormethylsilane können in der Folge zu den verschiedensten Organosilici-umverbindungen umgesetzt werden. Die Chlorsubstituenten dienen dabei als Abgangsgruppenund können in einer Substitutionsreaktion durch Nukleophile (z.B.: Grignard-, Organolithium¬verbindungen, etc.) ausgetauscht werden.

[0035] Für die Außenschichten wird mit Silan gepfropftes Material oder eine Mischung vonmehreren Materialien verwendet (z.B.: Mischung aus gepfropftem und nicht gepfropftem PE).Im Falle der hier eingesetzten Außenschichten werden 2 Materialien, ein mit Silan gepfropftes VLDPE und ein VLDPE zur Einstellung der Silankonzentration, gemischt. Die gewünschteSilankonzentration liegt dabei zwischen 0,01 und 10%. Das Mischen kann entweder durcheinen Compoundierschritt erfolgen oder als Trockenmischung eingesetzt werden. Die Dichteder einzelnen Materialien liegt zwischen 0,80g/cm und 0,90g/cm3, bevorzugt zwischen0,85g/cm3 und 0,90g/cm3. In der Innenschicht wird ein LLDPE verwendet, dessen Dichte zwi¬schen 0,90g/cm3 und 0,95g/cm3 liegt, bevorzugt zwischen 0,90g/cm3 und 0,93g/cm3.

[0036] Das erfindungsgemäße Material wird durch Coextrusion hergestellt, wobei im Speziellendas Chillroll-Verfahren zur Anwendung kommt. Weiters kann die Folie monoaxial oder biaxialverstreckt sein. Zusätzlich kann mittels Prägewalze oder einer anderen geeigneten Technologieeine Prägung auf das erfindungsgemäße Material aufgebracht werden.

[0037] Das coextrudierte Frontencapsulant mit einer Dicke von z.B. 470pm hat einen UV-cut-offvon 250nm und eine Transparenz von >91%. Das Material kann auch in anderen Dicken ver¬wendet werden wobei sich der UV-cut-off nicht verändert, jedoch aber die maximale Transpa¬renz. Die maximale Transparenz ist bei dünneren Materialien höher, bei dickeren geringer.

[0038] Bei der Auswahl der einzelnen Komponenten ist auf den E-Modulwert und damit auf dieFlexibilität der Materialien zu achten. Der E-Modulwert aller Materialien sollte < 200MPa betra¬gen. Bei den PE-Typen mit den niedrigeren Schmelzpunkten werden bevorzugt Polyethylenemit geringeren E-Modulwerten eingesetzt als beim PE der Mittelschicht. Bevorzugt liegt der E-Modulwert der Außenschichten unter 70MPa, der Wert der Mittelschicht unter 150MPa.

[0039] Der Gesamt-E-Modulwert des Frontencapsulants ergibt sich aus den Dicken der Einzel¬schichten des Coextrudats und der Gesamtdicke des Frontencapsulants.

[0040] Die Dicke des Frontencapsulants kann zwischen 15pm und 999pm betragen, bevorzugtbeträgt die Dicke >220pm bis 500pm.

[0041] Die Dicke des Materials resultiert aus der Schichtstärke der einzelnen Lagen, wobei dieDicke der Außenschichten 5 bis 497pm betragen kann und bevorzugt zwischen 70 und 150pmbeträgt. Die Innenschicht hat eine Schichtstärke von 5 bis 989pm und bevorzugt zwischen 5und 360pm.

[0042] Die in den einzelnen Schichten eingesetzten Komponenten haben auf die Wasser-dampfdurchlässigkeit einen wesentlichen Einfluss. Je dicker der mehrlagige Frontencapsulantdesto besser die Barriere. Beim Einkapselungsmaterial ist generell eine geringe Wasser¬dampfdurchlässigkeit (WVTR) von Vorteil. Durch die LLDPE-Mittelschicht wird diese Wasser¬dampfbarriere speziell verbessert.

[0043] Folgende Zahlen verdeutlichen diese Behauptung:

Dicke [pm] |WVTR [g/m2/d] 3-lagiges Coextrudat, laminiert 250 1,26 45Ö Ö54

Monolayer Komponenten Außen- 200 10,3

Schicht, laminiert 45Ö T9 [0044] Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von polyolefinischen Materialien gegenüberEVA als Einbettungsmaterial ist, dass diese Materialien praktisch keinen PID-Effekt zeigen.Potential induzierte Degradation (PID) entsteht durch eine Potentialdifferenz zwischen den inSerie geschalteten Solarzellen und dem Rahmen eines Moduls, welcher aus Sicherheitsgrün¬den geerdet ist. Dadurch können Leckströme zwischen den Zellen und dem Rahmen fließen,welche zu einer Leistungsminderung der Solarzellen führen können. Materialien wie EVA kön¬nen diesen Effekt aufgrund ihrer immanenten chemischen Reaktivität begünstigen bzw. über¬haupt erst ermöglichen.

[0045] Ein weiterer Vorteil polyolefinischer Einbettungsmaterialien liegt in ihrem vergleichsweise hohen elektrischen Durchgangswiderstand. EVA erreicht typischerweise Werte im Bereich 1011bis 1013 Qcm, wohingegen polyolefinische Einbettungsmaterialien Werte im Bereich 1014 bis1015 Qcm aufweisen.

Claims (7)

1. Ansprüche 1. Verbundfolie, welche aus mindestens zwei Schichten A und B oder drei Schichten A, B undC aufgebaut ist, wobei die Schicht A an der Schicht B, und die Schicht B an der optionalenSchicht C haftet, und - die Schicht A entweder ein niedrigschmelzendes Polyethylen oder ein niedrigschmelzendes Metal-locen-Polyethylen ist, das mit Silan gepfropft ist und im Bereich zwischen 70und 85°C schmilzt, oder ein Polyethylen oder ein Metallocen-Polyethylen ist, das mit Silan gepfropft ist,das weiters mit VLDPE oder Metallocen-VLDPE gemischt ist und im gemisch¬ten Zustand im Bereich von 85 bis 100°C schmilzt, - die Schicht B ein höherschmelzendes Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen mit ei¬nem Schmelzpunkt im Bereich zwischen 100 und 115°C ist, und - optional die Schicht C entweder eine Schicht wie die Schicht A ist, oder ein Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen ist, welches mit Maleinsäurean¬hydrid gepfropft ist.
2. 2. Verbundfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht B ein höher¬schmelzendes Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen mit einem Schmelzpunkt im Be¬reich zwischen 105 und 115°C ist.
3. 3. Verbundfolie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieSchicht A einen Silan-Gehalt im Bereich zwischen 0,01 und 10,0 Masse.-%, bezogen aufdie Masse des Polyethylens oder Metallocen-Polyethylens in der betreffenden Schicht auf¬weist.
4. 4. Verbundfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieSchicht C, sofern sie ein Polyethylen oder Metallocen-Polyethylen ist, welches mit Malein¬säureanhydrid gepfropft ist, einen Maleinsäureanhydrid - Gehalt im Bereich zwischen0,001% und 5%, bezogen auf die Masse des Polyethylens bzw. Metallocen-Polyethylens inder betreffenden Schicht, aufweist.
5. 5. Verwendung einer Verbundfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei der Herstellungeines Photovoltaikmoduls.
6. 6. Photovoltaikmodul, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verbundfolie nach einem derAnsprüche 1 bis 4 aufweist.
7. 7. Photovoltaikmodul dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung der Verbundfolie nacheinem der Ansprüche 1 bis 4 die Wasserdampfdurchlässigkeit, im Vergleich zu einer allei¬nigen Verwendung der Schicht A oder C in gleicher Dicke, um mindestens 20% reduziertwird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen